Теоретичні основи інформатики, комп’ютерна техніка та програмне забезпечення

2. Комп'ютерна техніка

2.1. Історія створення  обчислювальної техніки 

     Історія обчислювальної техніки почалася тоді, коли сформувалося поняття числа. У  багатьох мовах слово "цифра" походить від слова "палець". Пальці стали  першими "обчислювальною машиною". На пальцях можна складати, віднімати  і множити досить великі числа. Знаменитий Фібоначчі в XIII в. рекомендував всім освоювати рахунок на пальцях.

     Наступним винаходом був абак - рахунки по п'ять кісточок у ряді. У XVII ст. з'явилися  перші механічні лічильні пристрої та машини:

     - 20-і роки: англійський математик Вільям Оутред придумав логарифмічну лінійку;

     - 1632р.: німецький вчений Вільгельм Шиккард сконструював перший в історії рахунковий механізм;

     - 1642р.: французький математик, фізик і філософ Блез Паскаль (1623-1662рр.) створив лічильну машину, яка могла складати і віднімати;

     - 1673р.: німецький математик і філософ Готфрід Вільгельм Лейбніц (1646-1716рр.) сконструював арифмометр, що виконував чотири арифметичні дії. Лейбніц є одним з основоположників диференціального й інтегрального числення. Він мріяв повністю автоматизувати процес обчислень, що в той час було неможливим, але він розробив двійкову систему числення, яка і лягла в основу автоматизації обчислень в сучасних комп'ютерах.

     У першій половині XIX ст. англієць Чарльз Беббідж (1791-1871рр.) розробив конструкцію машини, яку можна було б назвати першим комп'ютером. Але він не був побудований, тому що машина повинна була бути механічною, а необхідна точність виготовлення деталей для цієї машини в середині XIX ст. була недосяжна. Пристрій комп'ютера за кресленнями Беббіджа було описано Августою Адою Лавлейс. Вона ж розробила теорію програмування, написала кілька програм для ще не існуючої обчислювальної машини. Завантажувати програму треба було за допомогою карток з пробитими дірочками - перфокарт.

     Основні частини першого комп'ютера були тими ж, що і в будь-якої сучасної ЕОМ:

     - пристрій для введення даних;

     - запам'ятовуючий пристрій, здатний зберігати вихідні дані та проміжні результати (Беббідж назвав його "складом");

     - арифметико-логічний пристрій, що виконує арифметичні і логічні операції ( "млин");

     - пристрій управління, керівне переміщеннями зі "складу" на "млин" і роботою "млини" і забезпечує виконання потрібних дій у потрібному порядку за заданою програмою;

     - пристрій для виведення результату.

     Прилади, які можна віднести до програмованим  пристроїв:

     - математик і корабел А. Н. Крилов (1863-1945) винайшов машину для рішення диференціальних рівнянь;

     - в 1915 р. німецька фірма "Асканія" побудувала обчислювальну машину для розрахунку часу припливів і відливів на північному узбережжі Німеччини, вона працювала до 1975 р.;

     - в 1804 р. французький інженер Жозеф Марі Жаккард сконструював верстати, які ткали складні візерунки, керуючись послідовністю перфокарт;

     - різні музичні автомати, шарманки, механічні піаніно.  

2.2. Архітектура фон  Неймана

     У 40-х роках XX ст. американець угорського походження Джон (Янош) фон Нейман (1903-1957рр.) включився в роботу зі створення ЕОМ для управління берегової ППО. Розроблявся "ЕНІАК" - електронний чисельний інтегратор і автоматичний обчислювач. Але ця машина мала принциповий недолік: у ній відсутнє пристрій для запам'ятовування і зберігання команд.

     У 1945 р. Джон фон Нейман виступив з  доповіддю, в якій були сформульовані  основні принципи організації нового обчислювального пристрою, що одержали назву "архітектура фон Неймана".

     АЛП - арифметико-логічний пристрій для  виконання арифметичних і логічних операцій;

     ОП - оперативна пам'ять, пристрій для зберігання кодів виконується в даний  момент програми;

     ЗП - зовнішні пристрої, або периферія. Зазвичай їх ділять на два класи: зовнішню пам'ять (накопичувач на гнучких магнітних дисках, накопичувач на жорстких магнітних дисках, CD-диски, магнітооптичні диски) та пристрої введення / виводу інформації (пристрої введення: клавіатура, мишка, мікрофон, сканер; пристрої виведення: дисплей, принтер, акустичні колонки, плотер);

     КП - керуючий пристрій, яка організує роботу комп'ютера в такий спосіб:

     а) поміщає в ОП коди програми з ЗП;

     б) зчитує з комірки ОП та організовує  виконання першої команди програми;

     в) визначає чергову команду та організує  її виконання;

     г) постійно синхронізує роботу пристроїв, що мають різну швидкість виконання  операцій, шляхом призупинення виконання  програми.

     У 1946 р. фон Нейман починає розробку нової машини, і в 1949 р. була побудована електронної машини з обробки  дискретних змінних "ЕДВАК", яка  згодом була визнана першим комп'ютером.

     Норберт Вінер (1894-1964рр.), працюючи разом з Джоном фон Нейманом, звернув увагу на те, що процеси, що керують складною електронною системою, аналогічні процесам нейрофізіології, що вивчає цілеспрямовану діяльність живих істот. Збереження працездатності таких систем досягається за рахунок зворотнього зв'язку, вона дозволяє відслідковувати і коригувати вже розпочату, але ще не закінчену до кінця дію. Існування зворотного зв'язку дозволяє розглядати складні системи різної природи - фізичної, соціальної, біологічної - з єдиної точки зору. Це і є основи кібернетики. Під кібернетикою сьогодні розуміють серію наукових дисциплін, що вивчають загальні закони управління і взаємозв'язків, що діють в системах різної природи.

 

2.3. Пристрій сучасного  комп'ютера 

     Поширення персональних комп'ютерів до кінця 70-х  років призвело до деякого зниження попиту на великі ЕОМ і міні-ЕОМ.

     Це  серйозно непокоїло керівництво  фірми IBM (International Business Machines Corporation) - провідної  компанії по виробництву великих  ЕОМ. І в 1979 р. фірма IBM вирішила спробувати свої сили на ринку персональних комп'ютерів.

     Однак керівництво фірми недооцінило  майбутню важливість цього ринку, розглядаючи  створення комп'ютера усього лише як дрібний експеримент. Щоб не витрачати  на цей експеримент багато коштів, керівництво фірми дозволило  підрозділу використовувати блоки, виготовлені іншими фірмами. Фірма IBM зробила комп'ютер не єдиним нероз'ємним  пристроєм, а забезпечила його складання  з незалежно виготовлених частин за принципом відкритої архітектури.

     На  основній електронній платі (системної або материнської) розміщені тільки блоки, які здійснюють обробку інформації (обчислення): процесор, можливо математичний співпроцесор, контролери, мікросхеми оперативної пам'яті. Схеми, що керують всіма іншими пристроями комп'ютера (монітором, дисками, принтером і т. д.), реалізовані на окремих платах, які вставляються в стандартні рознімання (слоти) на системній платі. До цих електронних схем підводиться електроживлення з єдиного блоку живлення, а для зручності і надійності все це полягає в загальний металевий або пластиковий корпус - системний блок.

     Комп'ютер складається з розрізнених частин. Для того щоб він працював як єдиний механізм, необхідно здійснювати  обмін даними між різними пристроями, за це відповідає системна (магістральна) шина. До неї через контролери підключені зовнішні пристрої, які обмінюються даними з оперативною пам'яттю. Обмін даними між пристроями ЕОМ зумовлений обмеженням функцій, що виконуються цими пристроями, і повинен бути запрограмований. Виконувана програма зберігається в оперативній пам'яті комп'ютера і через системну шину передає в процесор команди на виконання певних операцій. Процесор на їх основі формує свої команди управління, які по системній шині надходять на відповідні пристрої. Для виконання операцій обробки даних процесор передає в оперативну пам'ять адреси необхідних даних і отримує їх. Результати обробки направляються в оперативну пам'ять. Дані з оперативної пам'яті можуть бути передані на зберігання в зовнішні запам'ятовуючі пристрої, для відображення на дисплеї, виведення на друк, передачі в обчислювальну мережу.

     Важливими технічними характеристиками, що впливають  на продуктивність комп'ютера, є показники  частоти процесора, розрядність  і машинне слово.

     Кількість розрядів, яке може бути сприйнято, передане або отримано за одне звернення до процесора, називається його розрядністю.

     Кількість інформації, записується або витягають  із пам'яті за одне звернення, називається  машинним словом.  

2.4. Покоління комп'ютерів 

     Один  із способів класифікації комп'ютерів, що враховує основні конструктивні  елементи, - це розподіл комп'ютерів по поколінням.

     1-е  покоління. Час появи - початок  50-х років XX ст. Основний елемент,  на якому будувалося управління  комп'ютером, - електронна лампа.  Перша машина для вільного  продажу "ЮНІВАК" (США) була  випущена в 1951 р. Найкращою  в СРСР була серійна машина  М-20 зі швидкістю 20 тис. операцій  в секунду. 

     2-е  покоління. У середині 50-х років  XX ст. з'явилися комп'ютери з елементної  базою на напівпровідниках, довготривалі  запам'ятовувальні пристрої на  магнітних стрічках. Почали застосовувати  мови програмування високого  рівня, такі як Фортран. Швидкість  кращого в СРСР комп'ютера - БЕСМ-2 - 1 млн. операцій за секунду.

     3-е  покоління. У середині 60-х років  XX ст. були випущені комп'ютери  серії IBM-360 (США), на яких замість  розрізнених транзисторів були  використані малі інтегральні  схеми. З'явилися магнітні диски.  У СРСР типовими представниками  стали комп'ютери єдиної системи  (ЄС) і системи машин (СМ). Швидкість  обробки даних у потужних машин  досягала 10 мільйонів операцій у  секунду. 

     4-е  покоління. Поява комп'ютерів  цього покоління пов'язують з  розробкою (фірма Intel, США, 1971 р.) мікропроцесора  на базі великих інтегральних  схем (ВІС). Створені персональні  комп'ютери, які стали основою  комп'ютеризації суспільства. Швидкість  обробки даних - до 50 мільйонів  операцій у секунду. 

     5-е  покоління. Елементною базою є  надвеликі інтегральні схеми  (НВІС), ультравеликі інтегральні схеми (УВІС) і гігавеликі інтегральні схеми (ГВІС). Мультимедійні комп'ютери на базі процесора Pentium (або подібного йому), здатні забезпечити створення віртуальної реальності. Швидкість обробки - 100 мільйонів операцій у секунду. Прикладом вітчизняної суперЕОМ є багатопроцесорний обчислювальний комплекс "Ельбрус" зі швидкодією до 120 млн. операцій за секунду. 

3. Програмне забезпечення 

      Інформація  в комп'ютері зберігається в файлах. Для зручності пошуку потрібного файлу і розміщення інформації, що відноситься до якої-небудь задачі (темі, користувачеві), створюються  каталоги (директорії).

      Файл - пойменована область пам'яті комп'ютера, де може зберігатися інформація (тексти програм, документи, готові до виконання програми і т. д.). Назва файлу складається з двох частин: власне імені файлу і розширення від одного до трьох символів, що вказує тип файлу.

      Папка (директорія, каталог) - це спеціальне місце на диску, в якому зберігаються імена файлів, відомості про розмір файлів, час їх останнього оновлення і т. д.

      Програмне забезпечення - сукупність програмних засобів для забезпечення нормальної роботи обчислювальної системи, поділяється на загальне (системне) і прикладне програмне забезпечення.  

3.1. Системне програмне  забезпечення 

      1. Операційна система - це комплекс програм, що забезпечує керування комп'ютером як єдиним цілим, його взаємодія з навколишнім середовищем (людиною, прикладними програмами, іншими системами).

      Операційна  система є головною частиною системного програмного забезпечення і керується  командами.

      Основні функції операційних систем:

      - ведення файлової системи;

     - розподіл оперативної пам'яті;